暗物质粒子探测卫星“悟空”
暗物质到底是什么？为什么科学家们要上天入地苦苦追寻暗物质？8月20日，上海书展分会场科学会堂举办了一场人气爆棚的讲座，上海科协大讲坛邀请了三位重量级主讲科学家——中科院院士、上海交通大学天文与天体物理中心主任景益鹏院士；中科院紫金山天文台的副台长、暗物质粒子探测卫星首席科学家常进教授；上海市粒子物理和宇宙学重点实验室主任季向东教授；为广大市民详释神秘的暗物质。
中科院紫金山天文台的副台长、暗物质粒子探测卫星首席科学家常进教授发言。
主宰着世界的暗物质到底是什么？
20世纪，科学家发现宇宙在不断膨胀，并发现了宇宙微波背景辐射，通过宇宙微波背景辐射，科学家推出了宇宙的年龄、能量密度和膨胀速度。问题在于，如果没有一类新粒子，其引力效应比已知粒子的引力效应大，那么宇宙就进步不成现在的样子。科学家们就把这种还没发现的粒子叫做“暗物质”，暗物质不发射光子、不吸收不散射光子，也不参与电磁作用，人们目前只能通过引力产生的效应感受它的存在。
季向东教授介绍：“宇宙当中可见物质占宇宙总能量5%，暗物质占了27%。所以从某种意义上讲，暗物质统治主宰了整个宇宙。我们可以确定的是暗物质的寿命一定很长，超过宇宙的寿命。世界许多理论物理学家提出了各种不同的理论，目前最主流的力量，将暗物质视作弱相互作用重粒子，叫WIMPS。弱相互作用是四大相互作用之一，李政道和杨振宁就是因为研究它而获得诺贝尔奖。”
“暗物质和普通物质几乎没有相互的作用，所以穿透力出奇的强。一个暗物质粒子，可以在地球的这一端，很轻松跑到地球另一端，也可以很轻松地穿过太阳。因此暗物质是不可能用个瓶子来装起来的。”季向东教授打趣道，如果有人要卖给你暗物质，可千万别相信。
暗物质有多大呢？根据目前理论，大概每平方厘米每秒钟，可能有上亿个粒子。“就是现在每秒钟、每平方米中，穿透你的暗物质粒子大概有上亿甚至上百亿。如果暗物质粒子跟普通物质没有相互作用的话，我们永远没有办法来感知它的存在。我们只有通过天文学，通过引力来探测暗物质的存在，但是我们没有可能在实验室当中来进行研究。”
第一是模拟宇宙大爆炸，利用大型强子对撞机，把粒子加速再让它们相撞，模拟宇宙大爆炸之初的样子，看看能否撞出什么东西来，也许有助于发现暗物质。至今科学家用这一方法还未有发现。
第一种方法 “科普中国” 图
第二种方式是直接探测。“许多理论家认为，暗物质很有可能有弱相互作用，因为弱相互作用，暗物质粒子就会与物体上的原子发生碰撞，我们就可以通过武力手段观测被撞飞的原子。”季向东说，“这一方法像‘守株待兔’，希望暗物质粒子能撞到我们身上。”
所谓“上天入地探寻暗物质”，这第二种直接探测法就是“入地”。季向东教授进一步说明，由于暗物质粒子与普通粒子碰撞发出的信号极其微弱，想要听到这样的信号，必须在一个非常安静的地方。“就好比你不会在闹市区听音乐，我们则要逃到地底下去，越往下干扰越少。每往地下延伸1000米，宇宙射线的干扰就减少10倍。科学家就在地下挖一大坑，将精密仪器放在坑底探测。”
第二种方式 “科普中国” 图
目前，世界上岩石覆盖最深的实验室就是中国四川锦屏地下实验室。锦屏地下实验室就藏身于锦屏山腹部的隧道中部，垂直岩石覆盖达2400米。与其相比，位于意大利中部格兰萨索山区的欧洲地下试验室就像个游戏室。在川藏群山下，粒子物理学家最头痛的宇宙射线的强度仅为格兰萨索山区的1/200，为实验提供了“干净”的环境。
锦屏地下实验室二期工程施工现场。图片来自网络
锦屏地下实验室示意图。图片来自网络
讲完“入地”讲“上天”，“上天”就是目前第三种探测暗物质的方式——空间间接探测。“暗物质本身不可见，但它产生的一些粒子是可见的，通过探测这些可见的粒子，去间接推测或探测暗物质粒子，所以这叫间接法。”常进教授解释。
为什么科学家们要上天入地苦苦追寻暗物质？
第三种探测暗物质的方式。 “科普中国” 图
“由于暗物质粒子湮灭或衰变能产生伽玛射线、宇宙射线、中微子等人类可以观测的粒子，科学家找到了探测暗物质的契机。中国的暗物质粒子探测卫星，要在太空中高精度测量伽玛射线、宇宙射线的能谱以及空间分布，以此来间接寻找暗物质粒子存在的证据。”
“悟空”作为我国第一颗空间高能粒子探测器，暗物质粒子探测卫星拥有很多中国独有的技术。比如探测器最核心的组成部分——BGO量能器，既能测量粒子能量、又能区分粒子种类。量能器的BGO晶体，此前世界范围内最长只有30厘米，而中科院上海硅酸盐所成功研制生产出60厘米晶体。BGO量能器数据读出的动态范围，也是同类型探测器中最大的。
按照原定计划，暗物质粒子探测卫星上天之后主要进行巡天观测，即望远镜背对地球，对太空进行比较均匀的扫描观测，长时期积累数据。如果2年巡天后发现某些天区有值得深入挖掘的信息，那时卫星的观测模式将进行调整，由巡天观测转入定点观测模式，对一些重点区域进行更充分的观测。
常进教授说，今年3月，科研人员对已经上天的“悟空”进行了测评，各项指标都达到标准。“如果指标评定是100分，‘悟空’就获得了100分。现在的情况，大约每秒有10万个高能粒子打到卫星上，把大部分过滤掉后，‘悟空’选择100多个高能粒子传输到地面，这是能量测量的情况。可见光光子的能量大约是1电子伏特。而暗物质粒子探测卫星对电子宇宙射线的探测有望超过10万亿电子伏特，鉴别粒子的本领很强。目前，‘悟空’每天探测500万粒子。”
那么“上天”和“入地”这两个探测方法哪个更好一些？常进教授向听众们解释：“由于还没有弄清楚暗物质粒子的物理性，所以没有办法判断哪种方法好。”季向东教授补充：“两种方法探测的是不同的东西，暗物质是超出我们想象的东西，只能说我们都在各自的领域中寻找各自的解释。”
“无论是地下的实验还是天上的探测，都是极其复杂的两个科学探索实验。但毫无疑问，在直接、间接探测方面，中国已经走在了世界的前沿，这点是非常让人兴奋的。”景益鹏院士说道。
景益鹏院士说，常有人问他人们为什么要苦苦追寻暗物质：“简单地说，就是根据现在的各种物理学理论，我们需要暗物质。宇宙137亿年的演化，暗物质起了决定性的作用。如果没有暗物质的存在，现在的整个银河系、太阳系就不是目前的样子。一年前出现相对论、量子力学，所有人都认为没有用，但一百年后的今天，你手机里所有的芯片、电脑、互联网的发明都源于一百年的理论。也许一百年后你的生活从早到晚全是暗物质。”
从大爆炸开始，宇宙已经存在了137亿年，而人类文明史不过3000-5000年；整个宇宙中有上千亿的银河系，而太阳只是我们所在银河系里的一颗恒星。“无论从时间还是空间角度上看，人类都是微不足道的。但是人类值得引以为豪的特点是会思考。近代科学发展至今不过几百年，却已经把世界的规律摸索得这么清楚，很难找到什么东西是不能吻合现行的运作标准模型，暗物质粒子的发现还将直接证实标准宇宙学模型的正确性。暗物质决定了我们的过去，决定了我们的未来。”季向东教授认为，暗物质这个谜团，是对人类智慧的最终挑战。
现阶段找不到暗物质是不是就代表了失败？季向东教授说，不能这样看。“过去15年，我们的探测灵敏度增加了3、4个数量级，这本身就是一个巨大的进步。探测器好比是一架飞机，目前所搜了整个太平洋，接下来的10-15年，搜索的范围会更广、灵敏度还会提高，还会催生新的领域，”季向东教授强调，零的结果不是没有意义，相反意义很大，“在探索宇宙未知的同时，我们留下了巨大的福音。”
在讲座的尾声，季向东教授发出感叹：“在过去几百年的物理、化学发展史上，几乎没有中国人的贡献，在教科书中都是牛顿、爱因斯坦这样的西方人名字。如今人类已经把许多谜团解开，现在剩下最后一些保留，在暗物质领域，我们希望一百年、二百年后，能在教科书中出现中国人的名字。现在机会就在我们眼前，不能再错过。”
